CN112226700A - 一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺 - Google Patents

一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，解决了石油开采设备压裂用零部件的现有制造方法不能兼顾其性能和成品率的技术问题。本发明包括炼制、锻造、锻造后热处理、机加工和锻件表面溅射等工艺步骤，炼制步骤采用了特殊成分配比，锻造过程中采用了两次变向镦拔和三个阶段的锻压，保证在锻压制造过程中锻件不会产生裂纹。本发明能够提高内表面硬度，同时保持强度韧性，使其既抗冲刷、抗磨蚀，在交变负载的作用下又不易产生裂纹现象，而且通过锻件表面溅射，提高了整体强度性能、延长了使用寿命、降低了生产成本、减少了处理中的安全隐患、工艺简单、实用性强。

Description

一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺
技术领域
本发明涉及压裂锻件生产的技术领域，特别是指一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺。
背景技术
在石油领域，压裂是指采油或采气过程中，利用水力作用，使油气层形成裂缝的一种方法，又称水力压裂。压裂是人为地使地层产生裂缝，改善油在地下的流动环境，使油井产量增加，对改善油井井底流动条件、减缓层间和改善油层动用状况可起到重要的作用。压裂施工需要使用压裂车对石油油井进行压裂，陶粒砂、压裂液等介质通过通过压力端产生高压使底层瞬间开裂，同时介质渗入裂缝中是使原油溢出，液力端总成的构成部件是压裂车上重要易损件，是石油油井维护和提高油产量的重要设备。但是现有的液力端总成的构成部件耐腐蚀性低，应力较为集中，耐腐蚀性金属层在交变应力作用下很难实现协调变形。
为解决上述问题，授权公告日为20160420、授权公告号为CN105506497A的发明专利公开了一种阀箱用不锈钢合金及制造方法，该方法为选取原料为脱磷铁水57~62重量份、铁合金28~32重量份、不锈钢废钢6～15重量份，采用电弧炉冶炼加炉外真空精炼的方法完成钢锭的初始冶炼，模铸成型后，制备成自耗电极，随后进行电渣重熔处理。将得到的电渣钢锭在650~700℃进行退火，随后去除钢锭坯料头部及尾部废料，并粗加工钢锭外表面，使任何表面均无氧化皮残留；然后钢锭进行加热，进行锻造，总锻造比大于等于8，并将毛坯进行锻后热处理；最后将锻件进行固溶处理，水冷至120℃以下，在580~640℃进行时效处理。该发明得到的合金在压裂工况下虽然具备较好的腐蚀疲劳强度极限，但是热加工性能不稳定，加工时容易产生裂纹，成品率低，即产品的性能与成品率不能兼顾。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，解决了石油开采设备压裂用零部件的现有制造方法不能兼顾其性能和成品率的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，包括以下步骤：
（1）炼制：将质量百分比为Cu：1％～6％、Mg：2％～8％、Sn：0.5％～5％、Zr：0.1％～0.5％、Re：0.05％～10％、Ni：0.01％～0.5％、Si：0.1％～0.5％、Zn：0.2％～0.6％、SiC颗粒：5％～15％、稀土：0.05％～0.2％、TiB：3％～8％、Al 2 O 3 1％～5％、余量为Fe的原料进行混合、炼制；
（2）锻造：原料经电弧炉初炼并进行预处理脱硫后采用转炉工艺脱磷技术吹炼扒渣，LF钢包精炼炉深脱硫后利用RH炉真空循环脱气，圆坯连铸形成连铸坯，增强产品强度；采用优质电渣锭作为原料，锻造采用8000吨水油压机进行三相锻造，保证了锻坯成分均匀、组织均匀致密；
（3）锻造后热处理：通过多次正火、油淬、高温回火，保证了应力充分释放和组织均匀；
（4）机加工：包括粗加工和精加工，所述粗加工为粗铣无孔面，然后进行超声波探伤，所述探伤判定参考为在任何孔壁表面及其以下25mm内，不允许有任何缺陷显示；所述精加工对各孔相交部位相贯线及柱塞孔部位精细加工及打磨光滑，减少应力集中；
（5）锻件表面溅射：先将磁控溅射真空设备中气压抽至小于2×10 ～3 Pa，之后通入氩气，开启流量计，使真空腔内气压约为0.8Pa时关闭充气阀，将溅射偏压调至～50～～250V，溅射电流调至3～6A，转动金属轮后沉积3～6h后关闭溅射电压及偏压；经过全面检验，合格产品入库、出厂，溅射靶材为钛合金。
所述锻造包括：
a、采用两次变向镦拔的锻造工艺，主拔长变形采用WHF法；
b、每次镦粗及拔长锻比控制在1.8~2.2，总锻比控制在6～8，拔长锻比S=S1×S2，镦粗比U=U1×U2，总锻比=S×U2；
S1：第一次拔长长度除以原始长度；
S2：第二次拔长长度除以第二次拔长前长度；
U1：第一次墩粗面积除以原始面积；
U2：第二次墩粗面积除以原始面积；
c、锻造过程温度控制在850℃~1200℃；
所述锻后热处理采用2次过冷1次重结晶的正～回火工艺。
进一步地，所述锻造包括：将圆柱形钢锭水平放置在下平砧上，并通过夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，转动圆柱形钢锭，同时使用上/下平砧下压圆柱形钢锭的表面，直至圆柱形钢锭的侧面由圆形变为N边形，N≥4；
然后钢锭通过夹持装置竖直方向倾斜放置在下平砧上，使用上平砧下压钢锭的上端部边缘位置，同时沿钢锭的轴线转动钢锭，直至钢锭的两端边缘都形成环形平面，钢锭的两端呈鼓形，而后放入炉中加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h；
然后将钢锭竖直放置在下平砧上，对钢锭的端部锻打，直至钢锭两端的环形平面消失，而后放入炉中进行加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h，保温≥2h；
进一步地，所述锻造后热处理包括：
初次正火：将工件加热至750℃保温15～20分钟，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
再次正火：将工件加热至850℃保温15～20分钟，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
三次正火：将工件加热至950℃保温15～20分钟，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
油淬：将工件加热至920℃进行油淬从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；将工件加热至780℃油淬从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
高温回火：把零件油淬后，再加热到500～650℃，保温20～30分钟，以每分钟降低20℃的速度冷却至室温。
进一步地，在锻件表面溅射之前，依次由丙酮、无水乙醇和去离子水对锻件表面进行清洗。
本发明有效地解决了在锻造过程中产品表面及两端心部易产生裂缝等问题，提高了产品的生产质量，提高了成品率；同时，使用本发明技术方案生产的锻件具有良好的强度、冲击韧性、耐磨性、耐腐蚀性。本发明提高内表面硬度，同时保持强度韧性，使其既抗冲刷、抗磨蚀，在交变负载的作用下又不易产生裂纹现象，而且通过锻件表面溅射，提高了整体强度性能、延长了使用寿命、降低了生产成本、减少了处理中的安全隐患、工艺简单、实用性强。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，包括以下步骤：
（1）炼制：将质量百分比为Cu：1％、Mg：2％、Sn：0.5％、Zr：0.1％、Re：0.05％、Ni：0.01％、Si：0.1％、Zn：0.2％、SiC颗粒：5％、稀土：0.05％、TiB：3％、Al 2 O 3 1％、余量为Fe的原料进行混合、炼制；
（2）锻造：原料经电弧炉初炼并进行预处理脱硫后采用转炉工艺脱磷技术吹炼扒渣，LF钢包精炼炉深脱硫后利用RH炉真空循环脱气，圆坯连铸形成连铸坯，增强产品强度；采用优质电渣锭作为原料，锻造采用8000吨水油压机进行三相锻造，保证了锻坯成分均匀、组织均匀致密；
具体地，所述锻造包括：
a、采用两次变向镦拔的锻造工艺，主拔长变形采用WHF法；
b、每次镦粗及拔长锻比控制在1.8~2.2，总锻比控制在6～8，拔长锻比S=S1×S2，镦粗比U=U1×U2，总锻比=S×U2；
S1：第一次拔长长度除以原始长度；
S2：第二次拔长长度除以第二次拔长前长度；
U1：第一次墩粗面积除以原始面积；
U2：第二次墩粗面积除以原始面积；
c、锻造过程温度控制在850℃~1200℃；
所述锻后热处理采用2次过冷1次重结晶的正～回火工艺。
进一步地，锻造时先将圆柱形钢锭水平放置在下平砧上，并通过夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，转动圆柱形钢锭，同时使用上/下平砧下压圆柱形钢锭的表面，直至圆柱形钢锭的侧面由圆形变为N边形，N≥4；
然后钢锭通过夹持装置竖直方向倾斜放置在下平砧上，使用上平砧下压钢锭的上端部边缘位置，同时沿钢锭的轴线转动钢锭，直至钢锭的两端边缘都形成环形平面，钢锭的两端呈鼓形，而后放入炉中加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h；
再将钢锭竖直放置在下平砧上，对钢锭的端部锻打，直至钢锭两端的环形平面消失，而后放入炉中进行加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h，保温≥2h；
（3）锻造后热处理：通过多次正火、油淬、高温回火，保证了应力充分释放和组织均匀；
具体地，锻造后热处理包括：
初次正火：将工件加热至750℃保温15～20分钟，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
再次正火：将工件加热至850℃保温15～20分钟，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
三次正火：将工件加热至950℃保温15～20分钟，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
油淬：将工件加热至920℃进行油淬从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；将工件加热至780℃油淬从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
高温回火：把零件油淬后，再加热到500～650℃，保温20～30分钟，以每分钟降低20℃的速度冷却至室温。
（4）机加工：包括粗加工和精加工，所述粗加工为粗铣无孔面，然后进行超声波探伤，所述探伤判定参考为在任何孔壁表面及其以下25mm内，不允许有任何缺陷显示；所述精加工对各孔相交部位相贯线及柱塞孔部位精细加工及打磨光滑，减少应力集中；
（5）锻件表面溅射：先将磁控溅射真空设备中气压抽至小于2×10 ～3 Pa，之后通入氩气，开启流量计，使真空腔内气压约为0.8Pa时关闭充气阀，将溅射偏压调至～50～～250V，溅射电流调至3～6A，转动金属轮后沉积3～6h后关闭溅射电压及偏压；经过全面检验，合格产品入库、出厂，溅射靶材为钛合金。
进一步地，在锻件表面溅射之前，依次由丙酮、无水乙醇和去离子水对锻件表面进行清洗。
实施例2，一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，所述炼制步骤为：将质量百分比为Cu：6％、Mg：3％、Sn：5％、Zr：0.5％、Re：2％、Ni：0.5％、Si：0.1％、Zn：0.2％、SiC颗粒：15％、稀土：0.2％、TiB：8％、Al 2 O 3 ：2％、余量为Fe的原料进行混合、炼制。
本实施例的其他方法步骤与实施例1相同。
实施例3，一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，所述炼制步骤为：将质量百分比为Cu：3％、Mg：5％、Sn：3％、Zr：0.3％、Re：5％、Ni：0.3％、Si：0.3％、Zn：0.4％、SiC颗粒：10％、稀土：0.1％、TiB：5％、Al 2 O 3 3％、余量为Fe的原料进行混合、炼制。
本实施例的其他方法步骤与实施例1相同。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）炼制：将质量百分比为Cu：1％～6％、Mg：2％～8％、Sn：0.5％～5％、Zr：0.1％～0.5％、Re：0.05％～10％、Ni：0.01％～0.5％、Si：0.1％～0.5％、Zn：0.2％～0.6％、SiC颗粒：5％～15％、稀土：0.05％～0.2％、TiB：3％～8％、Al 2 O 3：1％～5％、余量为Fe的原料进行混合、炼制；
（2）锻造：原料经电弧炉初炼并进行预处理脱硫后采用转炉工艺脱磷技术吹炼扒渣，LF钢包精炼炉深脱硫后利用RH炉真空循环脱气，圆坯连铸形成连铸坯，增强产品强度；采用优质电渣锭作为原料，锻造采用8000吨水油压机进行三相锻造，保证了锻坯成分均匀、组织均匀致密；
（3）锻造后热处理：通过多次正火、油淬、高温回火，保证了应力充分释放和组织均匀；
（4）机加工：包括粗加工和精加工，所述粗加工为粗铣无孔面，然后进行超声波探伤，所述探伤判定参考为在任何孔壁表面及其以下25mm内，不允许有任何缺陷显示；所述精加工对各孔相交部位相贯线及柱塞孔部位精细加工及打磨光滑，减少应力集中；
（5）锻件表面溅射：先将磁控溅射真空设备中气压抽至小于2×10 ～3 Pa，之后通入氩气，开启流量计，使真空腔内气压约为0.8Pa时关闭充气阀，将溅射偏压调至～50～～250V，溅射电流调至3～6A，转动金属轮后沉积3～6h后关闭溅射电压及偏压；经过全面检验，合格产品入库、出厂，溅射靶材为钛合金。
2.根据权利要求1所述的石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，其特征在于：
所述锻造包括：
a、采用两次变向镦拔的锻造工艺，主拔长变形采用WHF法；
b、每次镦粗及拔长锻比控制在1.8~2.2，总锻比控制在6～8，拔长锻比S=S1×S2，镦粗比U=U1×U2，总锻比=S×U2；
S1：第一次拔长长度除以原始长度；
S2：第二次拔长长度除以第二次拔长前长度；
U1：第一次墩粗面积除以原始面积；
U2：第二次墩粗面积除以原始面积；
c、锻造过程温度控制在850℃~1200℃；
所述锻后热处理采用2次过冷1次重结晶的正～回火工艺。
3.根据权利要求1所述的石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，其特征在于：所述锻造包括：将圆柱形钢锭水平放置在下平砧上，并通过夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，转动圆柱形钢锭，同时使用上/下平砧下压圆柱形钢锭的表面，直至圆柱形钢锭的侧面由圆形变为N边形，N≥4；
然后钢锭通过夹持装置竖直方向倾斜放置在下平砧上，使用上平砧下压钢锭的上端部边缘位置，同时沿钢锭的轴线转动钢锭，直至钢锭的两端边缘都形成环形平面，钢锭的两端呈鼓形，而后放入炉中加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h；
然后将钢锭竖直放置在下平砧上，对钢锭的端部锻打，直至钢锭两端的环形平面消失，而后放入炉中进行加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h，保温≥2h。
4.根据权利要求1所述的石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，其特征在于：
所述锻造后热处理包括：
初次正火：将工件加热至750℃保温15～20分钟，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
再次正火：将工件加热至850℃保温15～20分钟，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
三次正火：将工件加热至950℃保温15～20分钟，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
油淬：将工件加热至920℃进行油淬从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；将工件加热至780℃油淬从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却至200～300℃；
高温回火：把零件油淬后，再加热到500～650℃，保温20～30分钟，以每分钟降低20℃的速度冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的石油开采设备压裂用零部件的生产工艺，其特征在于：在锻件表面溅射之前，依次由丙酮、无水乙醇和去离子水对锻件表面进行清洗。
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